Das Chamäleon, eine Eidechse, die für ihre farbwechselnde Haut bekannt ist, dient als Inspiration für ein neues elektromagnetisches Material, das eines Tages Fahrzeuge und Flugzeuge für Radar „unsichtbar“ machen könnte. Ein Team von Ingenieuren der UC Berkeley hat einen abstimmbaren Metamaterial-Mikrowellenabsorber entwickelt, der bei Bedarf zwischen Absorption, Übertragung und Reflexion von Mikrowellen umschalten kann, indem er den Farbwechselmechanismus des Chamäleons nachahmt.
„Eine wichtige Entdeckung war die Fähigkeit, in einer einzigen Struktur sowohl eine Breitbandabsorption als auch eine hohe Transmission zu erreichen, was eine Anpassungsfähigkeit in dynamischen Umgebungen ermöglicht“, so Grace Gu, Hauptautorin der Studie und Assistenzprofessorin für Maschinenbau. „Diese Flexibilität hat weitreichende Anwendungsmöglichkeiten, von der Tarnkappentechnologie bis hin zu fortschrittlichen Kommunikationssystemen und Energiegewinnung.“
Chamäleon als Inspiration
Gu zufolge ist die Entwicklung von Materialien, die elektromagnetische Wellen wie Radar- oder Mikrowellen effizient absorbieren können, seit langem eine technologische Herausforderung. „Bestehende Materialien haben in der Regel eine Einheitsgröße“, sagte sie. „Sie sind in ihrer Reaktion nach der Herstellung festgelegt, was ihre Verwendung in dynamischen Umgebungen, in denen Anpassungsfähigkeit entscheidend ist, einschränkt.“
Auf der Suche nach einem Material, das seine Wechselwirkung mit elektromagnetischen Wellen dynamisch verändern kann, ließen sich die Forscher vom Chamäleon inspirieren. Das Reptil mit der klebrigen Zunge ändert seine Farbe, indem es die Abstände zwischen den photonischen Kristallen in seiner Haut verändert, um die Lichtreflexion zu modulieren.
Gu und ihr Team arbeiteten daran, einen ähnlichen Abstimmungsmechanismus auf ihr Metamaterialdesign anzuwenden. Das Ergebnis war eine kreuzförmige Fachwerkstruktur, die sich mechanisch umwandeln lässt, um ihre elektromagnetischen Eigenschaften zu steuern. Durch Kollabieren oder Expandieren – eine synchronisierte Bewegung, die durch das vernetzte System der Fachwerke ermöglicht wird – kann das Metamaterial seine elektromagnetische Reaktion von Breitbandabsorption bis hin zum Transmissionsmodus verändern.
Vielseitige Einsatzmöglichkeiten
Mithilfe von maschinellem Lernen und genetischen Algorithmen passten die Forscher das Design der Struktur für spezifische, gezielte elektromagnetische Reaktionen an und erreichten so einen Grad an Programmierbarkeit. Anschließend stellten sie die Struktur im 3D-Druckverfahren her und testeten ihre Fähigkeit, zwischen der Absorption und der Übertragung von Mikrowellen zu wechseln.
„In zusammengeklappter Form absorbiert die Struktur über 90 Prozent der Mikrowellen im Bereich von 4 bis 18 GHz, wodurch sie für Radargeräte unsichtbar wird und eine Tarnkappe bildet“, so Daniel Lim, Postdoktorand und Erstautor der Studie. „Im expandierten Zustand ermöglicht sie eine Signalübertragung von bis zu 24,2 Prozent, so dass bei Bedarf eine Kommunikation möglich ist.“ Laut Lim hat dieses bioinspirierte elektromagnetische Material das Potenzial, Technologien in einer Vielzahl von Bereichen zu verbessern, darunter Verteidigung, drahtlose Kommunikation, Energie und intelligente Infrastruktur.
„Im Verteidigungsbereich könnte dieses abstimmbare Metamaterial verwendet werden, um Fahrzeuge oder Flugzeuge zu bauen, die bei Bedarf für Radargeräte „unsichtbar“ werden“, so Lim. „Gleichzeitig kann es bei Bedarf Kommunikationssignale durchlassen und so in einem einzigen System sowohl Tarnkappe als auch Konnektivität bieten.“
Das Material könnte auch zur Herstellung intelligenter Fenster verwendet werden, die zwischen der Blockierung und der Übertragung von Signalen wechseln und so die Privatsphäre und die Kommunikationssicherheit verbessern. Darüber hinaus kann sich Gu vorstellen, dass es zur Verbesserung der Effizienz von Systemen zur Gewinnung elektromagnetischer Energie eingesetzt wird, die Sensoren und Batterien mit Strom versorgen. „Die abstimmbare Natur des Designs ermöglicht eine Anpassung an sich ändernde Bedürfnisse und bietet eine vielseitige Lösung für das Management elektromagnetischer Wellen“, so Gu.
